닛산케미칼, 탄화수소 아이오노머 개발 … 2027년 파일럿 생산

닛산케미칼(Nissan Chemical)이 고체 고분자 연료전지(PEFC) 촉매층용 이온 전도성 폴리머를 개발했다. 
닛산케미칼은 지속가능성 관련 소재 개발에 주력하고 있으며 수소장비 소재 사업화의 일환으로 PEFC용 아이오노머(Ionomer)의 성장성을 높게 평가하고 차세대 수익원으로 육성할 방침이다.
PEFC는 전해질막을 감싼 촉매층 바깥에 수소와 산소를 공급하는 가스 확산층이 위치하는 구조로 발전효율이 높아 연료전지자동차(FCEV)에 탑재되고 있다.
수소는 촉매층에서 백금과 반응해 전자와 수소이온으로 전환되고 수소이온은 전해질 막을 통과해 반대편 촉매층에서 산소와 반응해 물로 전환된다.
닛산케미칼은 업 기회를 모색하는 과정에서 전해질 막과 촉매층이 동일한 이온 전도성 폴리머(아이오노머)를 사용하고 있으나 요구되는 특성에 차이가 있다는 점에 주목하고 이온 전도성 폴리머를 개발했다.
아이오노머는 전해질 막과 촉매층에 사용돼 수소이온을 운반하는 소재로 30년 가까이 불소계가 주류를 형성하고 있다. 
전해질 막은 산소와 수소가 직접 반응해 발전효율이 저하되는 현상을 방지하기 위해 가스가 투과되지 않는 특성과 막으로서 자립하기 위한 기계적 특성이 요구되는 반면, 촉매층은 가스 투과성이 요구되고 백금, 아이오노머, 첨가제, 용매를 잉크화해 가스 확산층 위에 도포하면 안정적인 분산을 저해하는 약점이 있다.
닛산케미칼은 탄화수소계 소재를 이용해 새로운 촉매층용 아이오노머를 개발했다.
내부 테스트를 통해 이온 전도성은 기존 불소계 소재와 동등한 수준이며 일부 특성은 불소계 이상의 성능을 보유하고 있음을 확인했다. 또 LCD(Liquid Crystral Display) 배향막과 반도체용 반사방지막 분야에서 축적한 박막 계면제어 및 분산 기술을 응용해 잉크화 후의 안정 분산을 달성한 것으로 알려졌다.
추가적으로 실시한 FCEV 셀을 이용한 발전시험에서는 배터리 내부에 존재하는 다양한 저항성분 때문에 전류밀도가 커질수록 내부 저항이 증가해 전압이 낮아졌으나 특정한 전류밀도에서 벤치마크 소재 대비 전압 저하를 약 20% 억제하는데 성공했다.
닛산케미칼은 개발제품이 PFAS(Polyfluoroalkyl Substance)가 함유되지 않은 탄화수소계 소재라는 점을 무기로 불소계와 차별화할 계획이다. PFAS 프리 특성은 소재 전환을 자극하기에 적지 않은 메리트가 될 것으로 기대하고 있다.
또 개발제품은 균일한 분산 덕분에 아이오노머를 적게 사용해도 성능을 발휘할 수 있으며 고가의 백금 역시 분산성을 개선해 반응효율이 향상되면서 사용량이 감소할 것으로 예상된다.
수전해와 관련해서도 불소계 소재와 동등한 수준의 특성을 보유하고 있으며 수소 제조장비에도 사용이 가능한 것으로 알려졌다.
닛산케미칼은 수요기업에 따라 첨가제를 비롯한 촉매층 조성이 달라지는 점을 고려해 커스텀으로 대응할 방침이며 샘플 공급을 본격화해 2027년 파일럿 설비에서 생산을 시작할 계획이다. (윤)